內(nèi)檢測技術(shù)在城市燃氣管道的應用

劉傳慶

(深圳市燃氣集團股份有限公司，廣東 深圳 518049)

1 概述

管道燃氣是城鎮(zhèn)燃氣主要供應方式，正朝著高壓力、大口徑的方向發(fā)展，燃氣管道安全性受到高度重視。GB/T 27699—2011《鋼質(zhì)管道內(nèi)檢測技術(shù)規(guī)范》明確要求，新建管道應當在投產(chǎn)3年內(nèi)進行首次管道內(nèi)檢測(也稱基線檢測)，管道內(nèi)檢測周期應不超過8年，當管道防腐層損壞嚴重、管道運行環(huán)境惡劣、處于環(huán)境敏感地帶或人口密集區(qū)的應當將管道內(nèi)檢測周期縮短。

通過開展管道清管、變形檢測和漏磁檢測等內(nèi)檢測活動，可以有效清理管道內(nèi)部雜質(zhì)，定位管道位置、彎頭、絕緣接頭等管道特征信息，準確掌握管道本體缺陷分布情況，指導管道預知性維修維護，減少事故發(fā)生。目前，深圳燃氣、新奧燃氣、蘇州燃氣、沈陽燃氣、貴州燃氣等國內(nèi)具有一定規(guī)模的城市燃氣企業(yè)均采用管道內(nèi)檢測技術(shù)指導管道運營管理。因此，開展城市燃氣管道內(nèi)檢測，對保障燃氣管道安全、經(jīng)濟、高效運行具有重要意義。

2 內(nèi)檢測原理

管道內(nèi)檢測是指檢測器由管道介質(zhì)在檢測器前后端產(chǎn)生的壓差推動向前運行[1]，在運行過程中實時檢測和記錄管道腐蝕、變形、焊縫損傷等情況，并能精確定位管道特征的作業(yè)活動。管道內(nèi)檢測通常包括管道清管和智能檢測，管道清管的目的是借助清管設(shè)備刮削管壁，清除管道內(nèi)部沉積雜質(zhì)，并檢驗管道的通過能力，為判斷后續(xù)智能檢測設(shè)備能否順利通過提供依據(jù)。清管設(shè)備有泡沫清管器、皮碗清管器和鋼刷清管器，其中，皮碗清管器主要由中心軸、皮碗及其他部件組成，常見的皮碗類型有直板皮碗、錐形皮碗、圓形皮碗和蝶形皮碗4種。

智能檢測主要包括變形檢測和漏磁檢測，變形檢測的目的是檢測管道彎頭曲率、凹陷變形和橢圓變形等缺陷。變形檢測一般采用變形檢測器，利用檢測器上呈圓周均勻分布的傳感觸臂直接測量管道內(nèi)變化。變形檢測器可攜帶陀螺儀同步檢測，一方面利用帶有電子測距系統(tǒng)的變形檢測器在管道內(nèi)部產(chǎn)生的信號，測量管道幾何變形點，辨別凹坑的類型，精確地量化凹坑；另一方面利用陀螺儀記錄檢測器運行過程中向上下左右偏轉(zhuǎn)，并通過地面參考點計算整條管道的路由和詳細的地理位置。

漏磁檢測目的是檢測管道內(nèi)、外金屬損失位置和大小。工作原理是管壁的腐蝕處會引起磁通量泄漏，這些泄漏的磁通量可被傳感器檢測到，作為管道腐蝕缺陷分析的特征信號。通過分析傳感器的數(shù)據(jù)，獲得管道內(nèi)、外金屬損失缺陷的長度、寬度和深度等詳細信息。

3 內(nèi)檢測實踐

通常管道內(nèi)檢測作業(yè)采取循序漸進、通過能力由強到弱的順序進行。首先使用通過能力最強的泡沫清管器，初步判斷管道內(nèi)部情況，確保管道內(nèi)部沒有大的異物影響后續(xù)檢測設(shè)備運行。然后再逐步發(fā)送一定過盈量的皮碗清管器，根據(jù)清理出來的雜質(zhì)質(zhì)量判斷管道內(nèi)部是否存在大量雜質(zhì)，如連續(xù)多次清理出的雜質(zhì)質(zhì)量變化不大，則滿足變形檢測設(shè)備關(guān)于管道清潔度的要求。在管道表面清潔度和內(nèi)徑滿足變形檢測設(shè)備要求的情況下，再開展變形檢測。最后，根據(jù)管道變形檢測數(shù)據(jù)分析，確認管道最小內(nèi)徑滿足漏磁檢測設(shè)備的通過要求，再進行管道漏磁檢測。

如果管道已經(jīng)具有內(nèi)檢測經(jīng)歷，在制定管道內(nèi)檢測計劃時，不需要安排運行泡沫清管器探明管道內(nèi)部情況，可以直接使用皮碗清管器進行管道清管，在清管合格后依次進行變形檢測和漏磁檢測。

3.1 管道清管作業(yè)

深圳燃氣天然氣輸配系統(tǒng)可以用“一張網(wǎng)、雙氣源、三級壓力機制”進行概括。整個系統(tǒng)采用高壓、次高壓和中壓3級壓力機制設(shè)計，逾6 000 km天然氣管道互聯(lián)互通、功能互補，確保安全穩(wěn)定供氣。其中，次高壓管道坪山門站至安托山門站段(以下簡稱安坪線)起點位于坪山門站，終點位于安托山門站，設(shè)計壓力1.6 MPa，實際運行壓力1.5 MPa，管道直徑為508 mm,壁厚為7.9～11.9 mm。為保障管道安全穩(wěn)定運行，及時掌握管道本體缺陷的狀態(tài)，2014年完成安坪線第1輪內(nèi)檢測，2019年啟動安坪線第2輪內(nèi)檢測。由于已經(jīng)開展過管道內(nèi)檢測，且管道清潔度較好，所以，在進行第2輪管道內(nèi)檢測時，直接采用直板皮碗清管器和鋼刷清管器進行管道清管，按照檢測器運行速度為2 m/s的目標控制管道輸送工藝，通過精準調(diào)節(jié)上游管道供氣量和下游用氣量，并結(jié)合管道沿線預先放置的檢測器監(jiān)聽結(jié)果，保障管道清管順利實施。另外，為了不影響管道沿線5個支線正常供氣，選擇避開城市居民用氣高峰進行檢查，并在檢測設(shè)備通過支線三通前10 min，適當降低支線供氣量，待通過支線三通后緩慢增加供氣量。

第1輪內(nèi)檢測連續(xù)清管29次，清理出來雜質(zhì)3 156 kg，第2輪內(nèi)檢測連續(xù)清管10次，內(nèi)檢測記錄見表1，清理出來雜質(zhì)111 kg。前后兩輪清理出雜質(zhì)質(zhì)量見表2和表3。

表1 第2輪內(nèi)檢測記錄

表2 第1輪清管雜質(zhì)質(zhì)量

表3 第2輪清管雜質(zhì)質(zhì)量

針對第1輪內(nèi)檢測清理出來的雜質(zhì)，選取部分樣品進行檢測。根據(jù)測試結(jié)果分析，樣品中雜質(zhì)成分主要為Fe2O3、Fe3O4和泥土等，不含F(xiàn)eS。其中雜質(zhì)主要成分為泥土、沙石等不溶物，小部分為金屬氧化物。初步判斷泥土、沙石可能是管道施工期間進入管道，金屬氧化物則是管道內(nèi)腐蝕的產(chǎn)物。因此，建議一方面加強管道施工質(zhì)量管理，保證無雜質(zhì)進入管道。另一方面定期對城市燃氣管道進行清管作業(yè)，及時清理管道內(nèi)部積聚的雜質(zhì)，進一步提高管道輸送效率。

3.2 變形檢測

在前期管道清管和測徑的基礎(chǔ)上，選擇合適的變形檢測設(shè)備，本次變形檢測利用10 h順利完成。經(jīng)過仔細檢查，變形檢測器外觀完整，各機械部件工作正常，皮碗及探頭磨損均勻，檢測數(shù)據(jù)正常。

本次變形檢測器安裝有IMU(Inertial Measurement Unit)，即慣性測量單元，用以測算管道三維空間姿態(tài)，從而獲得管道焊縫、彎頭以及應變點的坐標等空間信息，為管道三維可視化模型構(gòu)建，以及管道應力應變分析和管道安全可靠性分析提供詳細數(shù)據(jù)，為全面掌握管道本體安全狀況奠定基礎(chǔ)。

3.3 漏磁檢測

三軸高清晰度漏磁檢測器經(jīng)13 h的運行后順利進入收球筒。經(jīng)過仔細檢查，檢測器記錄儀運行正常，檢測器無機械損傷，檢測數(shù)據(jù)清晰完整。

通過分析本次內(nèi)檢測報告提供的缺陷信息，可粗略掌握管道本體缺陷變化情況，后續(xù)將根據(jù)開挖驗證結(jié)果，全面校準檢測數(shù)據(jù)。并在獲得詳細檢測數(shù)據(jù)后，進一步比對前后2輪檢測發(fā)現(xiàn)的管道本體缺陷發(fā)展變化，深入分析管道缺陷增長趨勢和管道剩余強度及壽命，全面評估各項管道保護措施的有效性，大力推進管道完整性管理[2-4]，進一步提升管道安全運行水平。

4 城市燃氣管道內(nèi)檢測難點及應對措施

4.1 工藝調(diào)度難度高

由于安坪線主要承擔著城市供氣的重要任務，沿線存在6處分輸支線，每條支線負責向周邊工業(yè)用戶和城市居民用戶提供生產(chǎn)生活用氣，在不同時段，工業(yè)用戶用氣量和居民用戶用氣量差異較大，呈現(xiàn)出顯著的用氣峰谷期，內(nèi)檢測期間氣量波動劇烈，為氣量調(diào)度增加不小難度。因此，需要綜合考慮氣量對內(nèi)檢測影響，合理選擇內(nèi)檢測時間窗口。

為了不影響城市居民正常生活用氣，需要綜合考慮管網(wǎng)沿線用氣情況，做好上下游氣源調(diào)度。特別是準確掌握檢測設(shè)備運行軌跡，準確計算檢測設(shè)備運行速度和時間，為氣源調(diào)度提供科學依據(jù)。我們通過做好每日用氣監(jiān)測，根據(jù)城市用氣量的變化，每10～30 min，對檢測設(shè)備上下游的流量和壓力進行微調(diào)，每次微調(diào)的氣量一般控制在5 000 m3/h，壓力控制在0.01 MPa，通過多次、微量調(diào)節(jié)管道壓力和流量，使管道上游進氣量和下游出氣量保持平衡，確保檢測設(shè)備兩端氣量始終保持在穩(wěn)定狀態(tài)。這樣既保證管網(wǎng)正常供氣，又不會造成檢測設(shè)備前后壓力變化劇烈，就可以控制檢測設(shè)備運行速度處于合理區(qū)間。

為防止管道內(nèi)部清理出來的雜質(zhì)被吸入調(diào)壓站，造成調(diào)壓站內(nèi)安裝的除塵器堵塞，一般在檢測器接近調(diào)壓站時，提前20～30 min停止調(diào)壓站供氣，檢測器通過調(diào)壓站10～20 min后，可根據(jù)管網(wǎng)實際運行工況是否局部或全面恢復供氣。在停供氣期間，需嚴密監(jiān)控調(diào)壓站周邊中壓壓力監(jiān)控點和上下游調(diào)壓站流量、壓差，防止發(fā)生供氣異常事件。

4.2 定位難點

安坪線三通、彎頭多，沿線地形地貌復雜，既有連續(xù)山地段，又有繁忙的高速公路和城市主干道，造成管道監(jiān)聽干擾源多、難度大，無法準確及時判斷檢測器發(fā)出的信號。為準確掌握檢測器運行數(shù)據(jù)，有效控制檢測器運行速度，在總結(jié)線路跟蹤經(jīng)驗教訓的基礎(chǔ)上，先后優(yōu)化跟蹤人員組織架構(gòu)，調(diào)整跟蹤方案，增加專門人員跟蹤閥室，結(jié)合閥門上安裝的壓力變送器數(shù)據(jù)變化情況，及時調(diào)整管網(wǎng)壓力和管輸流量，確保完成沿線供氣和內(nèi)檢測雙重任務。另外，規(guī)范跟蹤信息報送方式，通過標定跟蹤計時和報送內(nèi)容，提高定位效率和精度。

4.3 工藝操作難點

在發(fā)球過程中，推球所需要的初始壓差較大，這就使得調(diào)壓器的開度較大。檢測設(shè)備突然啟動后，瞬時流量大，而此時一旦檢測設(shè)備中止運行，大流量的氣體會產(chǎn)生“水錘效應”，導致調(diào)壓站至檢測設(shè)備段管道內(nèi)的壓力瞬間變大，達到切斷閥設(shè)定壓力，從而導致切斷氣源。為解決“水錘效應”這一問題，一方面在發(fā)球過程中，升壓操作要緩慢；另一方面，對工藝空間有條件的廠站，在調(diào)壓出口增加流量調(diào)節(jié)閥，可解決發(fā)球過程中流量不穩(wěn)的問題。

5 建議

5.1 優(yōu)化收發(fā)球筒尺寸

通過本次內(nèi)檢測，發(fā)現(xiàn)發(fā)球筒尺寸較長，收球筒尺寸較短。收球筒的尺寸較長，檢測設(shè)備在收球筒內(nèi)有足夠的緩沖距離，避免損壞檢測設(shè)備或收球筒。因此，建議后期新建的收發(fā)球筒，要合理設(shè)計收發(fā)球筒尺寸。

5.2 優(yōu)化中壓管網(wǎng)

通過本次內(nèi)檢測，發(fā)現(xiàn)部分調(diào)壓站的供氣負荷較大，部分調(diào)壓站處于閑置狀態(tài)，調(diào)壓站的供氣能力分布不均，利用率不高。需要特別強調(diào)的是調(diào)壓站設(shè)計流量偏低，不能滿足日益增長的用氣需求。因此，需要根據(jù)實際用氣需求，優(yōu)化調(diào)壓站供氣能力，啟用閑置調(diào)壓站，在調(diào)壓站設(shè)計時，充分考慮供氣效率，將調(diào)壓站設(shè)計流量提高或增加供氣管路。